JP2001148374A - ウェーハの直流バイアス電圧を原位置において測定するための容量性プローブ - Google Patents
ウェーハの直流バイアス電圧を原位置において測定するための容量性プローブInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 処理チャンバ内に配置されているウェーハ上
の電圧を推定する装置を提供する。 【解決手段】 プラズマ処理チャンバ１００内で処理中
の基体上の直流バイアス電圧を監視するシステムは、チ
ャンバの壁内に配置され、プラズマに曝されるように位
置決めされている誘電体材料と、誘電体材料内に埋込ま
れている導電性部材１１４と、導電性部材に接続され、
部材の電圧レベルを測定するように構成されている電圧
測定デバイスと１１６を備えている。導電性部材から測
定される電圧は、チャンバ、埋込まれた導電性部材、及
び電圧測定デバイス内に存在する種々容量の比を比例常
数として基体上のバイアス電圧に比例している。
の電圧を推定する装置を提供する。 【解決手段】 プラズマ処理チャンバ１００内で処理中
の基体上の直流バイアス電圧を監視するシステムは、チ
ャンバの壁内に配置され、プラズマに曝されるように位
置決めされている誘電体材料と、誘電体材料内に埋込ま
れている導電性部材１１４と、導電性部材に接続され、
部材の電圧レベルを測定するように構成されている電圧
測定デバイスと１１６を備えている。導電性部材から測
定される電圧は、チャンバ、埋込まれた導電性部材、及
び電圧測定デバイス内に存在する種々容量の比を比例常
数として基体上のバイアス電圧に比例している。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的には、半導
体ウェーハ処理設備の診断用計測に関し、より詳しく述
べれば、半導体ウェーハ処理システム内で処理中の半導
体ウェーハ上に累積した直流バイアス電圧を原位置にお
いて測定するための容量性プローブに関する。
体ウェーハ処理設備の診断用計測に関し、より詳しく述
べれば、半導体ウェーハ処理システム内で処理中の半導
体ウェーハ上に累積した直流バイアス電圧を原位置にお
いて測定するための容量性プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体ウェーハ処理システムを監視する
場合、ウェーハ上の直流バイアス電圧を正確に測定する
ことが重要である。この値を測定する１つの方法は、直
流バイアス“プラグ”を用いることである。例えば、カ
リフォルニア州サンタクララのApplied Materials製のP
5000金属エッチチャンバでは、黒鉛、または中実の炭化
シリコンシャフトからなる直流ピックアップ、または
“プラグ”を、プラズマに直接接触させて配置する。プ
ラズマにまたがる電圧降下がほぼ０であるものとすれ
ば、ウェーハ上の直流バイアスを推定することができ
る。不幸にも、これらの型の“プラグ”は劣化して行
き、チャンバの保守費用を増加させる消耗材料になって
いる。更に“プラグ”が消耗して行くにつれて、汚染物
が処理環境内へ解放される。従って、“プラグ”を、プ
ラズマと直接接触せずに直流バイアス電圧を測定するよ
うなデバイスに置換することが好ましい。
場合、ウェーハ上の直流バイアス電圧を正確に測定する
ことが重要である。この値を測定する１つの方法は、直
流バイアス“プラグ”を用いることである。例えば、カ
リフォルニア州サンタクララのApplied Materials製のP
5000金属エッチチャンバでは、黒鉛、または中実の炭化
シリコンシャフトからなる直流ピックアップ、または
“プラグ”を、プラズマに直接接触させて配置する。プ
ラズマにまたがる電圧降下がほぼ０であるものとすれ
ば、ウェーハ上の直流バイアスを推定することができ
る。不幸にも、これらの型の“プラグ”は劣化して行
き、チャンバの保守費用を増加させる消耗材料になって
いる。更に“プラグ”が消耗して行くにつれて、汚染物
が処理環境内へ解放される。従って、“プラグ”を、プ
ラズマと直接接触せずに直流バイアス電圧を測定するよ
うなデバイスに置換することが好ましい。
【０００３】１つの重要な測定技術は、ウェーハがペデ
スタルと同一電位にあるものと仮定して、ペデスタルに
おけるＲＦ電圧の振幅（例えば、ピーク・ピーク電圧）
を測定することである。この値の測定は、ウェーハ上の
直流バイアスを推定するために修正される。しかしなが
ら、この解決方法は、ペデスタルアセンブリの直近のＲ
Ｆ雑音が高レベルであり、電気測定回路内に侵入するた
めに不正確であることが解っている。更に、この技術
は、プローブ及びその関連回路をペデスタルに結合する
のを容易にするために、チャンバを実質的に変更する必
要がある。
スタルと同一電位にあるものと仮定して、ペデスタルに
おけるＲＦ電圧の振幅（例えば、ピーク・ピーク電圧）
を測定することである。この値の測定は、ウェーハ上の
直流バイアスを推定するために修正される。しかしなが
ら、この解決方法は、ペデスタルアセンブリの直近のＲ
Ｆ雑音が高レベルであり、電気測定回路内に侵入するた
めに不正確であることが解っている。更に、この技術
は、プローブ及びその関連回路をペデスタルに結合する
のを容易にするために、チャンバを実質的に変更する必
要がある。
【０００４】従って、プラズマと接触する電圧プローブ
のＲＦ雑音及び／または物理的劣化の制約及び誤りの多
い効果を受けることなく、処理中のウェーハの直流バイ
アス電圧を推定することができるデバイスに対する要望
が存在している。
のＲＦ雑音及び／または物理的劣化の制約及び誤りの多
い効果を受けることなく、処理中のウェーハの直流バイ
アス電圧を推定することができるデバイスに対する要望
が存在している。
【０００５】
【発明の概要】従来の技術に伴う上述した欠陥は、処理
チャンバ内に配置されたウェーハ上の電圧を測定するた
めの本発明のプローブによって解消される。本発明のプ
ローブは、誘電体材料内に埋込まれた導電性部材からな
っている。誘電体材料は、処理チャンバの壁と接触し、
チャンバの内部に曝される。誘電体材料は、石英、アル
ミナ等であることができる。プローブは、好ましくは銅
のような金属である導電性材料製の電極を有している。
プローブは測定計器に結合するための導体を有してお
り、測定計器は導電性部材によって検出された電圧レベ
ルを測定するための電圧計であることができる。
チャンバ内に配置されたウェーハ上の電圧を測定するた
めの本発明のプローブによって解消される。本発明のプ
ローブは、誘電体材料内に埋込まれた導電性部材からな
っている。誘電体材料は、処理チャンバの壁と接触し、
チャンバの内部に曝される。誘電体材料は、石英、アル
ミナ等であることができる。プローブは、好ましくは銅
のような金属である導電性材料製の電極を有している。
プローブは測定計器に結合するための導体を有してお
り、測定計器は導電性部材によって検出された電圧レベ
ルを測定するための電圧計であることができる。
【０００６】１実施の形態においては、本発明のプロー
ブは、チャンバの外壁内に埋込まれた（例えば、チャン
バ壁内の石英窓内に取付けられた）導電性部材、即ち電
極を使用する。この位置において電極はプラズマのＲＦ
電圧振動を受け、これらの電圧振動を測定機器へ結合す
る。若干の回路解析仮定を行うことによって、測定機器
に結合される値が、ウェーハ上の推定直流バイアス電圧
を表す。このようなプローブ形態は、雑音レベルが低い
ので良好な信号精度が得られ、粒子が生成されず、そし
て現在使用中のシステムに容易に適合させ得るという利
点をもたらす。
ブは、チャンバの外壁内に埋込まれた（例えば、チャン
バ壁内の石英窓内に取付けられた）導電性部材、即ち電
極を使用する。この位置において電極はプラズマのＲＦ
電圧振動を受け、これらの電圧振動を測定機器へ結合す
る。若干の回路解析仮定を行うことによって、測定機器
に結合される値が、ウェーハ上の推定直流バイアス電圧
を表す。このようなプローブ形態は、雑音レベルが低い
ので良好な信号精度が得られ、粒子が生成されず、そし
て現在使用中のシステムに容易に適合させ得るという利
点をもたらす。
【０００７】本発明は、以下の添付図面に基づく説明か
ら容易に理解できよう。理解を容易にするために、全図
に共通の同一要素に対しては同一の参照番号を付してあ
る。
ら容易に理解できよう。理解を容易にするために、全図
に共通の同一要素に対しては同一の参照番号を付してあ
る。
【０００８】
【実施の形態】図１は、本発明のプローブ１０２が取付
られているプラズマ反応チャンバ１００の簡易断面図で
ある。ウェーハ処理におけるプラズマ反応チャンバ及び
その動作に関しては、1995年10月24日付米国特許第5,46
0,689号の図面及びその詳細な説明を参照されたい。こ
の説明には、カリフォルニア州サンタクララのAppliedM
aterials製の、バイアスされた高密度プラズマ反応チャ
ンバが参照されている。
られているプラズマ反応チャンバ１００の簡易断面図で
ある。ウェーハ処理におけるプラズマ反応チャンバ及び
その動作に関しては、1995年10月24日付米国特許第5,46
0,689号の図面及びその詳細な説明を参照されたい。こ
の説明には、カリフォルニア州サンタクララのAppliedM
aterials製の、バイアスされた高密度プラズマ反応チャ
ンバが参照されている。
【０００９】詳述すれば、プラズマ反応チャンバ１００
は、チャンバ壁１０４、天井１０８、及び底１１０によ
って限定される密封内部容積１２２を有している。チャ
ンバ底１１０には、ペデスタル１１１及びウェーハ支持
体１１２（即ち、静電チャック）が配置されている。ウ
ェーハ支持体１１２自体は、処理されるウェーハ１１３
を支持する。プラズマ１２０を点弧し、ウェーハ１１３
を電気的にバイアスして処理状態を最適化するために、
１つまたはそれ以上の電源がチャンバ１００に接続され
ている。例えば、第１の電源１２６は、チャンバ天井１
０８の上に配置されているコイル１２８に接続されてい
る。コイル１２８はチャンバ１００内に容量的に結合さ
れていてプラズマ１２０を点弧させ、このプラズマ１２
０は誘導性の場によって維持される。第２の電源１２４
はウェーハ支持体１１２に接続されていて、ウェーハ１
１３をバイアスする。
は、チャンバ壁１０４、天井１０８、及び底１１０によ
って限定される密封内部容積１２２を有している。チャ
ンバ底１１０には、ペデスタル１１１及びウェーハ支持
体１１２（即ち、静電チャック）が配置されている。ウ
ェーハ支持体１１２自体は、処理されるウェーハ１１３
を支持する。プラズマ１２０を点弧し、ウェーハ１１３
を電気的にバイアスして処理状態を最適化するために、
１つまたはそれ以上の電源がチャンバ１００に接続され
ている。例えば、第１の電源１２６は、チャンバ天井１
０８の上に配置されているコイル１２８に接続されてい
る。コイル１２８はチャンバ１００内に容量的に結合さ
れていてプラズマ１２０を点弧させ、このプラズマ１２
０は誘導性の場によって維持される。第２の電源１２４
はウェーハ支持体１１２に接続されていて、ウェーハ１
１３をバイアスする。
【００１０】更に、壁１０４の１つは窓１０６を備えて
いる。窓１０６は、セラミック、プラスチック、その他
のような適当な誘電体材料からなることができる。石
英、アルミナ、及びウルテム（UltemTM：ポリエーテル
イミド）が、良好な窓材料の例である。好ましくは、窓
１０６は、約0.635ｃｍ厚の石英のシートである。窓１
０６は、以下に詳細を説明するように、プローブ１０２
を埋込み易くするために多重層からなることができる。
プローブ１０２を窓１０６内に埋込んで、プローブ１０
２を内部容積１２２から隔離する他の方法も考えられ
る。プローブ１０２は、窓１０６内に埋込まれている導
電性材料製の電極１１４を有している。プローブ１０２
は電圧測定計器１１６に接続され、計器１１６は交流
（ピーク・ピーク）電圧、または直流（バイアスレベ
ル）電圧を測定することができる。
いる。窓１０６は、セラミック、プラスチック、その他
のような適当な誘電体材料からなることができる。石
英、アルミナ、及びウルテム（UltemTM：ポリエーテル
イミド）が、良好な窓材料の例である。好ましくは、窓
１０６は、約0.635ｃｍ厚の石英のシートである。窓１
０６は、以下に詳細を説明するように、プローブ１０２
を埋込み易くするために多重層からなることができる。
プローブ１０２を窓１０６内に埋込んで、プローブ１０
２を内部容積１２２から隔離する他の方法も考えられ
る。プローブ１０２は、窓１０６内に埋込まれている導
電性材料製の電極１１４を有している。プローブ１０２
は電圧測定計器１１６に接続され、計器１１６は交流
（ピーク・ピーク）電圧、または直流（バイアスレベ
ル）電圧を測定することができる。
【００１１】典型的なプラズマエッチング反応チャンバ
１００においては、ウェーハ１１３はウェーハ支持体１
１２によって支持される。ウェーハ１１３は、静電クラ
ンピングによって、または代替として重力によって、ま
たは機械的にウェーハ支持体１１２上に保持される。エ
ッチング処理を支援するために、チャンバ１００の内部
容積１２２内にプラズマ１２０が生成される。適切な条
件が満たされると、即ちプラズマが点弧されて維持さ
れ、温度及び圧力レベルが確立されると、ウェーハ処理
が開始される。上述したように、直流ウェーハバイアス
を監視し、調整することによって、良好な最終製品、即
ち高い歩留まり面積を有し、殆ど欠陥のないウェーハが
保証される。本発明のプローブ１０２は、プラズマ１２
０と物理的に接触することなく、従って、劣化、交換の
必要性、及び普通の“プラグ”に伴う微粒子の生成を最
小にしながら、ウェーハ１１３上の直流バイアス電圧レ
ベルに比例する電圧レベルを測定する。
１００においては、ウェーハ１１３はウェーハ支持体１
１２によって支持される。ウェーハ１１３は、静電クラ
ンピングによって、または代替として重力によって、ま
たは機械的にウェーハ支持体１１２上に保持される。エ
ッチング処理を支援するために、チャンバ１００の内部
容積１２２内にプラズマ１２０が生成される。適切な条
件が満たされると、即ちプラズマが点弧されて維持さ
れ、温度及び圧力レベルが確立されると、ウェーハ処理
が開始される。上述したように、直流ウェーハバイアス
を監視し、調整することによって、良好な最終製品、即
ち高い歩留まり面積を有し、殆ど欠陥のないウェーハが
保証される。本発明のプローブ１０２は、プラズマ１２
０と物理的に接触することなく、従って、劣化、交換の
必要性、及び普通の“プラグ”に伴う微粒子の生成を最
小にしながら、ウェーハ１１３上の直流バイアス電圧レ
ベルに比例する電圧レベルを測定する。
【００１２】詳しく述べれば、電極１１４は、窓１０６
を通して受けた電流を、電圧測定計器１１６へ伝送する
ことができる。これらの電流は、プラズマ１２０の電圧
レベルの変動によって誘起されたものである。これらの
変動は、ウェーハ支持体１１２に結合されるＲＦ電力の
振動の結果である（プラズマ電位に対応する振動が誘起
される）。従って、電圧測定計器１１６の読みは、ウェ
ーハ１１３上のピーク・ピーク電圧に比例する。このピ
ーク・ピーク電圧は、ウェーハ１１３上の直流バイアス
電圧に相関している。
を通して受けた電流を、電圧測定計器１１６へ伝送する
ことができる。これらの電流は、プラズマ１２０の電圧
レベルの変動によって誘起されたものである。これらの
変動は、ウェーハ支持体１１２に結合されるＲＦ電力の
振動の結果である（プラズマ電位に対応する振動が誘起
される）。従って、電圧測定計器１１６の読みは、ウェ
ーハ１１３上のピーク・ピーク電圧に比例する。このピ
ーク・ピーク電圧は、ウェーハ１１３上の直流バイアス
電圧に相関している。
【００１３】より詳しく述べれば、図２Ａは、プローブ
１０２の断面図である。プローブ１０２は、ある長さの
同軸ケーブル２０２が接続されている電極１１４からな
っている。同軸ケーブル２０２の中心導体２０６は、半
田２００を使用して電極１１４に半田付けされている。
代替として、半田２００を、クリンピング等のような他
の普通の電気的取付け方法に容易に置換することができ
る。同軸ケーブル２０２の外側シールド２１０は、電圧
測定計器１１６を介して接地される。プローブ１０２
は、壁１０４及び内部容積１２２（即ち、図１のプラズ
マ１２０）の両者から電極１１４が隔離されるように、
窓１０６内に物理的に埋込まれている。
１０２の断面図である。プローブ１０２は、ある長さの
同軸ケーブル２０２が接続されている電極１１４からな
っている。同軸ケーブル２０２の中心導体２０６は、半
田２００を使用して電極１１４に半田付けされている。
代替として、半田２００を、クリンピング等のような他
の普通の電気的取付け方法に容易に置換することができ
る。同軸ケーブル２０２の外側シールド２１０は、電圧
測定計器１１６を介して接地される。プローブ１０２
は、壁１０４及び内部容積１２２（即ち、図１のプラズ
マ１２０）の両者から電極１１４が隔離されるように、
窓１０６内に物理的に埋込まれている。
【００１４】好ましくは、電極１１４は、第２の石英層
２５４と、それに融合された第１の石英層２５６との間
に挟まれている0.25インチ直径の導電性の箔（即ち、金
属）である。第１の層２５６には、オプションとして、
電極１１４を収容しても、第１の層２５６の面と第２の
層２５４の面とが合うようにする凹み２５８を設けるこ
とができる。代替として、第１の層２５６の凹み２５８
内に電極１１４をスパッタしてもよい。電極１１４のサ
イズは、例として0.25インチ直径の導電性の箔（好まし
くは、銅）であると説明したが、電極１１４のサイズ
は、プローブ１０２及び壁１０４のインピーダンス、窓
の材料、及び電極１１４と内部容積１２２との間の距離
に依存する。
２５４と、それに融合された第１の石英層２５６との間
に挟まれている0.25インチ直径の導電性の箔（即ち、金
属）である。第１の層２５６には、オプションとして、
電極１１４を収容しても、第１の層２５６の面と第２の
層２５４の面とが合うようにする凹み２５８を設けるこ
とができる。代替として、第１の層２５６の凹み２５８
内に電極１１４をスパッタしてもよい。電極１１４のサ
イズは、例として0.25インチ直径の導電性の箔（好まし
くは、銅）であると説明したが、電極１１４のサイズ
は、プローブ１０２及び壁１０４のインピーダンス、窓
の材料、及び電極１１４と内部容積１２２との間の距離
に依存する。
【００１５】図２Ｂに示す本発明の代替実施の形態で
は、プローブ１０２は壁１０４内の穴２５０の中に取付
けられている。穴２５０は内部容積１２２に開いてお
り、電極１１４をカプセル封じしているセラミックのよ
うな誘電体材料２５２で実質的に充填されている。しか
しながら、電極１１４をカプセル封じするために他の型
の材料を使用することもでき、石英、アルミナ、ウルテ
ム（ポリエーテルイミド）等からなるグループから選択
することができる。誘電体材料２５２の一部分２６０
は、電極１１４を内部容積１２２から分離する。穴２５
０の深さは、電極１１４のカプセル封じを容易にするの
に十分な大きさだけあればよい。
は、プローブ１０２は壁１０４内の穴２５０の中に取付
けられている。穴２５０は内部容積１２２に開いてお
り、電極１１４をカプセル封じしているセラミックのよ
うな誘電体材料２５２で実質的に充填されている。しか
しながら、電極１１４をカプセル封じするために他の型
の材料を使用することもでき、石英、アルミナ、ウルテ
ム（ポリエーテルイミド）等からなるグループから選択
することができる。誘電体材料２５２の一部分２６０
は、電極１１４を内部容積１２２から分離する。穴２５
０の深さは、電極１１４のカプセル封じを容易にするの
に十分な大きさだけあればよい。
【００１６】プローブ１０２の別の実施の形態を図２Ｃ
に示す。プローブ１０２は、誘電体材料２５２内にカプ
セル封じされた電極１１４を有している。誘電体材料２
５２は、壁１０４上に配置されており、内部容積１２２
に曝されている。
に示す。プローブ１０２は、誘電体材料２５２内にカプ
セル封じされた電極１１４を有している。誘電体材料２
５２は、壁１０４上に配置されており、内部容積１２２
に曝されている。
【００１７】図３の回路図は、チャンバ雰囲気内の要素
と、プローブ１０２との物理的相互作用を近似した分圧
回路３００を示している。ＲＦ源１２６及びマッチング
回路３０４は、チャンバ内で遂行されるエッチング処理
を実行するために必要な電圧波形、及びインピーダンス
を確立する。第１のプラズマシース１１８を横切ってウ
ェーハ１１３とプラズマ１２０との間に存在する容量
は、キャパシタＣwafer３０６で表されている。第２の
プラズマシース１２１を横切ってプラズマ１２０とチャ
ンバ壁１０４との間に存在する第２の容量は、キャパシ
タＣwall３１６で表されている。第３のプラズマシース
１１９を横切ってプラズマ１２０と石英窓１０６との間
に存在する第３の容量は、キャパシタＣwindow３０８で
表されている（この第３のキャパシタＣwindow３０８
は、図２Ｂに示す代替実施の形態のプローブ１０２を使
用する場合には、プラズマ１２０と誘電体２５４の部分
との間に存在する）。第４の容量は、シース１１９に接
触している内面から電極１１４まで、石英窓１０６を横
切って存在する。この容量はＣprobe３１０で表されて
いる。最後の容量Ｃinstrumentation３１２は、電圧測
定計器１１６内の容量を表している。
と、プローブ１０２との物理的相互作用を近似した分圧
回路３００を示している。ＲＦ源１２６及びマッチング
回路３０４は、チャンバ内で遂行されるエッチング処理
を実行するために必要な電圧波形、及びインピーダンス
を確立する。第１のプラズマシース１１８を横切ってウ
ェーハ１１３とプラズマ１２０との間に存在する容量
は、キャパシタＣwafer３０６で表されている。第２の
プラズマシース１２１を横切ってプラズマ１２０とチャ
ンバ壁１０４との間に存在する第２の容量は、キャパシ
タＣwall３１６で表されている。第３のプラズマシース
１１９を横切ってプラズマ１２０と石英窓１０６との間
に存在する第３の容量は、キャパシタＣwindow３０８で
表されている（この第３のキャパシタＣwindow３０８
は、図２Ｂに示す代替実施の形態のプローブ１０２を使
用する場合には、プラズマ１２０と誘電体２５４の部分
との間に存在する）。第４の容量は、シース１１９に接
触している内面から電極１１４まで、石英窓１０６を横
切って存在する。この容量はＣprobe３１０で表されて
いる。最後の容量Ｃinstrumentation３１２は、電圧測
定計器１１６内の容量を表している。
【００１８】このように配列された図３の回路は線形で
あり、Ｃwafer３０６によって表されているプラズマシ
ース１１８にまたがるＲＦ電圧Ｖwaferの読みを近似す
るために解析することができる。回路解析は、ＲＦ源１
２６によってチャンバ１００内に注入されるＲＦ電流
が、主として容量Ｃwafer３０６及びＣwall３１６を通
って流れるもとの仮定することから始まる。プローブを
含む電流枝路（Ｃprobeによって表されている）には電
流は殆ど流れず、ノード３１５におけるプラズマ電位Ｖ
plasmaをセンスするだけのために存在する。プローブを
通って流れる電流の大きさは、Ｃprobeによって制御さ
れる。即ち、Ｃprobe３１０がＣwall３１６よりも遙か
に小さい場合には、回路のプローブ枝路を通って流れる
電流は、Ｃwall３１６を通って流れる合計電流に比して
無視することができる。従って電極１１４のサイズは、
電極１１４のインピーダンスが壁１０４のインピーダン
スよりも大きくなるように選択しなければならない。殆
ど全ての電流がＣwafer３０６及びＣwall３１６との直
列回路を流れるから、Ｃwafer３０６にまたがる電圧Ｖw
aferと、Ｃwall３１６にまたがる電圧（プラズマ電位Ｖ
plasmaと定義される）とは、以下のように関係になる。 Ｖwafer＝（Ｃwall／Ｃwafer）×Ｖplasma 従って、もし比例常数を導出することができれば、シー
スにまたがる電圧は、プラズマ電位を監視することによ
ってウェーハにおいて監視することができる。
あり、Ｃwafer３０６によって表されているプラズマシ
ース１１８にまたがるＲＦ電圧Ｖwaferの読みを近似す
るために解析することができる。回路解析は、ＲＦ源１
２６によってチャンバ１００内に注入されるＲＦ電流
が、主として容量Ｃwafer３０６及びＣwall３１６を通
って流れるもとの仮定することから始まる。プローブを
含む電流枝路（Ｃprobeによって表されている）には電
流は殆ど流れず、ノード３１５におけるプラズマ電位Ｖ
plasmaをセンスするだけのために存在する。プローブを
通って流れる電流の大きさは、Ｃprobeによって制御さ
れる。即ち、Ｃprobe３１０がＣwall３１６よりも遙か
に小さい場合には、回路のプローブ枝路を通って流れる
電流は、Ｃwall３１６を通って流れる合計電流に比して
無視することができる。従って電極１１４のサイズは、
電極１１４のインピーダンスが壁１０４のインピーダン
スよりも大きくなるように選択しなければならない。殆
ど全ての電流がＣwafer３０６及びＣwall３１６との直
列回路を流れるから、Ｃwafer３０６にまたがる電圧Ｖw
aferと、Ｃwall３１６にまたがる電圧（プラズマ電位Ｖ
plasmaと定義される）とは、以下のように関係になる。 Ｖwafer＝（Ｃwall／Ｃwafer）×Ｖplasma 従って、もし比例常数を導出することができれば、シー
スにまたがる電圧は、プラズマ電位を監視することによ
ってウェーハにおいて監視することができる。
【００１９】Ｖplasmaは、キャパシタＣwindow３０８、
Ｃprobe３１０、及びＣinstrumentation３１２からなる
センス回路を用いて測定される。ノード３１４における
出力電圧Ｖoは、Ｖplasmaと次式のような関係がある。 Ｖo＝〔（１／Ｃinstrumentation）／｛（１／Ｃinstru
mentation）＋（１／Ｃwindow）＋（１／Ｃprobe）｝〕
×Ｖplasma 設計によって、Ｃinstrumentation３１２及びＣprobe３
１０は、 （１／Ｃwindow） ≪（１／Ｃinstrumentation）＋（１
／Ｃprobe） であるように小さく選択される。Ａをキャパシタ電極の
面積、κを窓材料（例えば、石英）の誘電定数、そして
ｄを電極間の間隔として、どの容量もＣ∝κ*Ａ／ｄと
して計算されるので、前記関係は、単に電極と内部容積
との間の窓の厚みを、窓におけるプラズマシースの厚み
より遙かに大きく選択する、即ち （ｄquartz／κquartz） ≫ｄwindowsheath とすることによって達成することができる。上式を使用
すれば、ＶoとＶplasmaとの間の関係を次のように簡易
化することができる。 Ｖo＝〔１／｛１＋（Ｃinstrumentation／Ｃprob
e）｝〕×Ｖplasma ＶoとＶplasmaとの比は、容易に制御できる既知の量だ
けに依存している。Ｖwafer、Ｖplasma、及びＶoに関係
する前記２つの式を組合せると、出力電圧ＶoとＶwafer
との間の最終的な関係が得られる。 Ｖwafer＝（Ｃwall／Ｃwafer）×｛１＋（Ｃinstrument
ation／Ｃprobe）｝×Ｖo
Ｃprobe３１０、及びＣinstrumentation３１２からなる
センス回路を用いて測定される。ノード３１４における
出力電圧Ｖoは、Ｖplasmaと次式のような関係がある。 Ｖo＝〔（１／Ｃinstrumentation）／｛（１／Ｃinstru
mentation）＋（１／Ｃwindow）＋（１／Ｃprobe）｝〕
×Ｖplasma 設計によって、Ｃinstrumentation３１２及びＣprobe３
１０は、 （１／Ｃwindow） ≪（１／Ｃinstrumentation）＋（１
／Ｃprobe） であるように小さく選択される。Ａをキャパシタ電極の
面積、κを窓材料（例えば、石英）の誘電定数、そして
ｄを電極間の間隔として、どの容量もＣ∝κ*Ａ／ｄと
して計算されるので、前記関係は、単に電極と内部容積
との間の窓の厚みを、窓におけるプラズマシースの厚み
より遙かに大きく選択する、即ち （ｄquartz／κquartz） ≫ｄwindowsheath とすることによって達成することができる。上式を使用
すれば、ＶoとＶplasmaとの間の関係を次のように簡易
化することができる。 Ｖo＝〔１／｛１＋（Ｃinstrumentation／Ｃprob
e）｝〕×Ｖplasma ＶoとＶplasmaとの比は、容易に制御できる既知の量だ
けに依存している。Ｖwafer、Ｖplasma、及びＶoに関係
する前記２つの式を組合せると、出力電圧ＶoとＶwafer
との間の最終的な関係が得られる。 Ｖwafer＝（Ｃwall／Ｃwafer）×｛１＋（Ｃinstrument
ation／Ｃprobe）｝×Ｖo
【００２０】実際には、実験に基づく較正を遂行してＶ
oとＶwaferとの間の比例常数を見出す。回路解析中にな
された仮定から、線形応答を期待することができる。即
ち、プローブにおけるピーク・ピーク電圧はウェーハに
おけるピーク・ピーク電圧に比例する。ピーク・ピーク
ウェーハ電圧とウェーハ直流バイアスとの間の関係は既
知であるから、プローブにおけるピーク・ピーク電圧を
ウェーハにおける直流バイアス電圧に関係付けることが
できる。一般に、ピーク・ピーク電圧と直流バイアスと
の間には、ｂを定数として、ａＶpeak-to-peak＋ｂの形
状のオフセットが存在することが知られている。異なる
源電圧レベル（ＲＦ源１２６の電圧Ｖs）を使用して収
集された経験的なデータから、Ｖoをウェーハ電圧に関
係付ける定数が得られる。
oとＶwaferとの間の比例常数を見出す。回路解析中にな
された仮定から、線形応答を期待することができる。即
ち、プローブにおけるピーク・ピーク電圧はウェーハに
おけるピーク・ピーク電圧に比例する。ピーク・ピーク
ウェーハ電圧とウェーハ直流バイアスとの間の関係は既
知であるから、プローブにおけるピーク・ピーク電圧を
ウェーハにおける直流バイアス電圧に関係付けることが
できる。一般に、ピーク・ピーク電圧と直流バイアスと
の間には、ｂを定数として、ａＶpeak-to-peak＋ｂの形
状のオフセットが存在することが知られている。異なる
源電圧レベル（ＲＦ源１２６の電圧Ｖs）を使用して収
集された経験的なデータから、Ｖoをウェーハ電圧に関
係付ける定数が得られる。
【００２１】例えば、図５は、プローブにおいて測定さ
れたピーク・ピーク電圧値（丸形）、ウェーハにおいて
測定されたピーク・ピーク電圧値（菱形）、及びウェー
ハにおける直流電圧（方形）をＲＦ源電力に対して示す
グラフである。図６は、同じ電圧値を直流バイアス電力
に対して示すグラフであり、図７は、同じ電圧値をチャ
ンバ圧力に対して示すグラフである。これらの電圧値
は、グラフを比較し易いように基準化されている。何れ
の場合も、電圧は、電力レベルまたはチャンバ圧力が増
加するのに伴ってほぼ線形通路を辿っている。これによ
り、前記仮定が試験データによって支持されたことにな
り、分圧回路解析はウェーハ直流バイアスレベルを推定
する正確な方法であると言える。
れたピーク・ピーク電圧値（丸形）、ウェーハにおいて
測定されたピーク・ピーク電圧値（菱形）、及びウェー
ハにおける直流電圧（方形）をＲＦ源電力に対して示す
グラフである。図６は、同じ電圧値を直流バイアス電力
に対して示すグラフであり、図７は、同じ電圧値をチャ
ンバ圧力に対して示すグラフである。これらの電圧値
は、グラフを比較し易いように基準化されている。何れ
の場合も、電圧は、電力レベルまたはチャンバ圧力が増
加するのに伴ってほぼ線形通路を辿っている。これによ
り、前記仮定が試験データによって支持されたことにな
り、分圧回路解析はウェーハ直流バイアスレベルを推定
する正確な方法であると言える。
【００２２】本発明によって実現される最大の長所は、
チャンバに埋込まれたプローブ１０２を使用して、要求
されるデータを測定するその能力である。プローブ１０
２がチャンバに埋込まれているために、高い電圧源への
近接に起因する近傍の伝送ラインまたはＲＦ雑音によっ
て信号が劣化させられる機会は存在しなくなる。更に本
発明のプローブによって検出されるどのような雑音も、
電極１１４のサイズを変更することによって排除するこ
とができる。電圧測定計器１１６から見た信号レベル
は、電極１１４のサイズに比例する。従って、もし実質
的な背景雑音が検出されれば、電極サイズを増加させて
信号対雑音比を改善することができる。このようにする
と、電極１１４において受信される電圧変動の量は、雑
音の量（所与の周波数に対しては一定であると仮定され
る）に対して増加する。
チャンバに埋込まれたプローブ１０２を使用して、要求
されるデータを測定するその能力である。プローブ１０
２がチャンバに埋込まれているために、高い電圧源への
近接に起因する近傍の伝送ラインまたはＲＦ雑音によっ
て信号が劣化させられる機会は存在しなくなる。更に本
発明のプローブによって検出されるどのような雑音も、
電極１１４のサイズを変更することによって排除するこ
とができる。電圧測定計器１１６から見た信号レベル
は、電極１１４のサイズに比例する。従って、もし実質
的な背景雑音が検出されれば、電極サイズを増加させて
信号対雑音比を改善することができる。このようにする
と、電極１１４において受信される電圧変動の量は、雑
音の量（所与の周波数に対しては一定であると仮定され
る）に対して増加する。
【００２３】以上に、本発明を組み入れたいろいろな実
施の形態を説明したが、当分野に精通していれば、本発
明を組み入れた他のさまざまな実施の形態を容易に考案
することができよう。
施の形態を説明したが、当分野に精通していれば、本発
明を組み入れた他のさまざまな実施の形態を容易に考案
することができよう。
【図１】本発明のプローブを組み入れたウェーハ処理チ
ャンバの簡易断面図である。
ャンバの簡易断面図である。
【図２Ａ】本発明のプローブ及び図１の処理チャンバの
一部分の断面図である。
一部分の断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの本発明のプローブの代替実施の形態
の断面図である。
の断面図である。
【図２Ｃ】図２Ａの本発明のプローブの別の代替実施の
形態の断面図である。
形態の断面図である。
【図３】本発明のプローブが形成する分圧回路の回路図
である。
である。
【図４】ウェーハ電圧及びプラズマ電圧の振動、及びウ
ェーハ上の直流バイアスレベルのグラフである。
ェーハ上の直流バイアスレベルのグラフである。
【図５】基準化された電圧値対源電力のグラフである。
【図６】基準化された電圧値対バイアス電力のグラフで
ある。
ある。
【図７】基準化された電圧値対圧力のグラフである。
１００ プラズマ反応チャンバ １０２ プローブ １０４ チャンバ壁 １０６ 窓 １０８ 天井 １１０ 底 １１１ ペデスタル １１２ ウェーハ支持体 １１３ ウェーハ １１４ 電極 １１６ 電圧測定計器 １１８ 第１のプラズマシース １１９ 第３のプラズマシース １２０ プラズマ １２１ 第２のプラズマシース １２２ 内部容積 １２４ 第２の電源 １２６ 第１の電源 １２８ コイル ２００ 半田 ２０２ 同軸ケーブル ２０６ 中心導体 ２１０ 外部シールド ２５０ 穴 ２５２ 誘電体材料 ２５４、２５６ 石英層 ２５８ 凹み ２６０ 誘電体材料の一部分 ３００ 分圧回路 ３０４ マッチング街路 ３０６ Ｃwafer ３０８ Ｃwindow ３１０ Ｃprobe ３１２ Ｃinstrumentation ３１４ 出力電圧ノード ３１５ Ｖplasmaノード ３１６ Ｃwall
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アーサー サトウ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95129 サン ホセ イースタス ドライ ヴ 4733 (72)発明者 ヴァレンティン トドロフ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94538 フリーモント ウォルコット コ モン 3300−202
Claims (32)
- 【請求項１】 処理チャンバ内に配置されているウェー
ハ上の電圧を測定する装置であって、前記処理チャンバ
は少なくとも１つの壁を有しており、前記装置は、 前記壁内に配置されている導電性部材と、 前記導電性部材に結合されている測定機器と、を備えて
いることを特徴とする装置。 - 【請求項２】 前記チャンバ壁は、前記導電性部材が配
置されている窓を含んでいることを特徴とする請求項１
に記載の装置。 - 【請求項３】 前記窓は、誘電体材料で作られているこ
とを特徴とする請求項２に記載の装置。 - 【請求項４】 前記窓は、石英であることを特徴とする
請求項３に記載の装置。 - 【請求項５】 前記窓は、アルミナであることを特徴と
する請求項３に記載の装置。 - 【請求項６】 前記導電性部材は、電極であることを特
徴とする請求項１に記載の装置。 - 【請求項７】 前記電極は、銅であることを特徴とする
請求項６に記載の装置。 - 【請求項８】 前記測定機器は、電圧計であることを特
徴とする請求項１に記載の装置。 - 【請求項９】 前記チャンバ壁は、 前記処理チャンバの内部容積に開いている穴と、 前記穴内に配置され、前記導電性部材が内部に配置され
ている誘電体材料と、を更に備えていることを特徴とす
る請求項１に記載の装置。 - 【請求項１０】 前記誘電体材料は、石英、アルミナ、
及びポリエーテルイミドからなるグループから選択され
ることを特徴とする請求項９に記載の装置。 - 【請求項１１】 前記窓は、アルミナであることを特徴
とする請求項９に記載の装置。 - 【請求項１２】 前記導電性部材は、電極であることを
特徴とする請求項９に記載の装置。 - 【請求項１３】 前記電極は、銅であることを特徴とす
る請求項１２に記載の装置。 - 【請求項１４】 前記測定機器は、電圧計であることを
特徴とする請求項９に記載の装置。 - 【請求項１５】 プラズマ処理チャンバ内で処理中の基
板上の直流バイアス電圧を監視するシステムであって、 前記チャンバの壁内に配置され、前記プラズマに曝され
るように位置決めされている誘電体材料と、 前記誘電体材料内に埋込まれている導電性部材と、 前記導電性部材に接続され、前記部材の電圧レベルを測
定するように構成されている電圧測定デバイスと、を備
え、 前記測定される電圧は、前記基板上のバイアス電圧に比
例している、ことを特徴とするシステム。 - 【請求項１６】 前記電圧測定デバイスは、前記プラズ
マのＲＦ電圧振動を測定することを特徴とする請求項１
５に記載のシステム。 - 【請求項１７】 前記比例常数は、前記チャンバ、前記
埋込まれた導電性部材、及び前記電圧測定デバイス内に
存在する容量の比であることを特徴とする請求項１５に
記載のシステム。 - 【請求項１８】 前記電圧測定デバイスは、電圧計から
なることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。 - 【請求項１９】 前記誘電体材料は、石英、アルミナ、
及びポリエーテルイミドからなるグループから選択され
ることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。 - 【請求項２０】 前記誘電体材料は、前記チャンバ壁内
の穴の中に配置されていることを特徴とする請求項１５
に記載のシステム。 - 【請求項２１】 処理チャンバ内に配置されているウェ
ーハ上の電圧を推定する装置であって、 内部容量を限定しているチャンバ壁と、 前記チャンバ壁上に配置され、前記内部容量に曝されて
いる誘電体材料と、 前記誘電体内に配置され、前記処理チャンバ内のプラズ
マによって生成された電圧レベルを測定するための電圧
測定計器に電気的に接続されている電極と、を備え、 前記電極によって検出される電圧は、前記ウェーハ上の
電圧に比例している、ことを特徴とする装置。 - 【請求項２２】 前記電圧測定計器は、前記プラズマの
ＲＦ電圧振動を測定することを特徴とする請求項２１に
記載の装置。 - 【請求項２３】 前記比例常数は、前記チャンバ、前記
電極、及び前記電圧測定計器内に存在する容量の比であ
ることを特徴とする請求項２１に記載の装置。 - 【請求項２４】 前記電圧測定計器は、電圧計からなる
ことを特徴とする請求項２１に記載の装置。 - 【請求項２５】 前記誘電体材料は、石英、アルミナ、
及びポリエーテルイミドからなるグループから選択され
ることを特徴とする請求項２１に記載の装置。 - 【請求項２６】 前記誘電体材料は、前記チャンバ壁内
の穴の中に配置されていることを特徴とする請求項２１
に記載の装置。 - 【請求項２７】 プラズマ処理チャンバ内で処理中の基
板上の直流バイアス電圧を監視する方法であって、 前記チャンバの内部に曝されている誘電体材料内に埋込
まれている導電性部材を準備するステップと、 前記導電性部材の電圧レベルを測定するステップと、を
含み、 前記導電性部材によって測定される前記電圧レベルは、
前記基板上の直流バイアス電圧に比例している、ことを
特徴とする方法。 - 【請求項２８】 前記誘電体材料は、前記チャンバの壁
内に設けられていることを特徴とする請求項２７に記載
の方法。 - 【請求項２９】 前記直流バイアス電圧と前記測定され
た電圧との間の比例は、前記チャンバ、前記埋込まれた
導電性部材、及び前記導電性部材の前記電圧レベルを測
定するために使用される電圧測定デバイス内に存在する
容量の比によって限定されることを特徴とする請求項２
７に記載の方法。 - 【請求項３０】 前記誘電体材料及び前記導電性部材
は、前記プラズマのＲＦ電圧振動に曝される位置内に設
けられていることを特徴とする請求項２７に記載の方
法。 - 【請求項３１】 前記導電性部材の前記電圧レベルは、
前記プラズマのＲＦ電圧振動を表していることを特徴と
する請求項２７に記載の方法。 - 【請求項３２】 前記導電性部材は、背景雑音に対して
前記ＲＦ電圧振動を優先的に検出するのを保証するよう
に十分に大きいサイズで設けられていることを特徴とす
る請求項３１に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/361,649 US6356097B1 (en) | 1997-06-20 | 1999-07-27 | Capacitive probe for in situ measurement of wafer DC bias voltage |
| US09/361649 | 1999-07-27 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001148374A true JP2001148374A (ja) | 2001-05-29 |
| JP4681718B2 JP4681718B2 (ja) | 2011-05-11 |
Family
ID=23422918
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000261881A Expired - Fee Related JP4681718B2 (ja) | 1999-07-27 | 2000-07-27 | ウェーハの直流バイアス電圧を原位置において測定するための容量性プローブ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6356097B1 (ja) |
| EP (1) | EP1072894A2 (ja) |
| JP (1) | JP4681718B2 (ja) |
| KR (1) | KR100721227B1 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20190022339A (ko) | 2017-08-23 | 2019-03-06 | 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 | 측정 장치, 측정 방법 및 플라즈마 처리 장치 |
| US10720313B2 (en) | 2017-08-23 | 2020-07-21 | Tokyo Electron Limited | Measuring device, measurement method, and plasma processing device |
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| US6673637B2 (en) | 2000-09-20 | 2004-01-06 | Kla-Tencor Technologies | Methods and systems for determining a presence of macro defects and overlay of a specimen |
| US6782337B2 (en) | 2000-09-20 | 2004-08-24 | Kla-Tencor Technologies Corp. | Methods and systems for determining a critical dimension an a presence of defects on a specimen |
| US6891627B1 (en) | 2000-09-20 | 2005-05-10 | Kla-Tencor Technologies Corp. | Methods and systems for determining a critical dimension and overlay of a specimen |
| US6694284B1 (en) | 2000-09-20 | 2004-02-17 | Kla-Tencor Technologies Corp. | Methods and systems for determining at least four properties of a specimen |
| WO2002101929A2 (en) * | 2001-06-08 | 2002-12-19 | Intier Automative Closures, Inc. | Non-contact proximity sensor |
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| US6894474B2 (en) | 2002-06-07 | 2005-05-17 | Applied Materials, Inc. | Non-intrusive plasma probe |
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| US9595424B2 (en) | 2015-03-02 | 2017-03-14 | Lam Research Corporation | Impedance matching circuit for operation with a kilohertz RF generator and a megahertz RF generator to control plasma processes |
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